氧缺陷对光催化的影响以及性能表征

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目前,随着社会的发展,工业生产的挥发性有机物越来越多,对环境的破坏越来越严重。为了解决挥发性有机物污染的问题,人们开发了多种技术来解决上述问题,其中,光催化技术是最具前景的催化技术之一。它能够在催化过程不造成二次污染,利用太阳能光催化降解环境中的污染物,达到利用可再生能源净化环境的目的。但是目前的催化剂光生电子空穴分离速率低,光催化性能不高。为了进一步提升光催化剂的效率,人们在光催化剂中引入氧缺陷以及掺杂的方式,通过氧缺陷和杂质离子的作用提升光生电子空穴的分离,从而改善光催化剂的性能。本文利用光催化技术来解决环境问题,通过引入氧缺陷和掺杂的方式提高光催化剂降解挥发性有机物的性能。论文的具体内容如下:1.含氧缺陷的ZnMoO4的制备与光催化性能研究本实验以聚乙二醇为螯合剂,通过湿化学方法合成ZnMoO4光催化剂,并通过在氢气气氛中退火引入氧缺陷,成功地制备出含有氧缺陷的ZnMoO4光催化剂。XRD测试结果表明,所制备的最终样品的XRD衍射图与ZnMoO4标准卡片一致,说明含氧缺陷的ZnMoO4样品已经成功制备,氢气退火后峰强几乎未发生变化,说明退火仅改变了样品的表面结构。根据UV-vis分析了退火后处理的样品比纯ZnMoO4样品的光吸收能力强,说明引入氧缺陷后的样品有助于增强样品的光吸收能力,且引入氧缺陷后的样品带隙明显比纯ZnMoO4小,H2退火引入氧缺陷,减小了带隙。我们利用氙灯模拟太阳光的照射,采用电化学工作站测试了样品的光电流与电化学阻抗。其中ZnMoO4-300-0.5h样品的光电流是纯ZnMoO4的1.86倍,光电流结果表明引入氧缺陷能够提高光生电子空穴的分离。引入氧缺陷后样品的阻抗谱圆弧半径均比纯ZnMoO4样品的阻抗谱圆弧半径小,阻抗变低,阻抗图谱表明引入氧缺陷有利于载流子的传输,进而提高光催化活性。退火0.5 h后的样品比表面积达到69.9 m~2·g-1,且引入氧缺陷后的样品孔径变宽。光催化降解异丙醇的结果表明引入氧缺陷后的样品的丙酮生成速率大于纯ZnMoO4的样品,再一次证明氧缺陷会有效地提升光生电子空穴的分离,进一步提高光催化性能。引入氧缺陷后的样品拥有更高的光催化活性,这与其高的比表面积与氧缺陷的共同作用是密不可分的。高比表面积的样品表面拥有众多反应活性点,为反应提供了便利条件。氧缺陷能提升电子与空穴的分离,进一步提高了光催化的性能。2、Cr掺杂Mn3O4的制备与光催化性能研究本实验利用溶胶凝胶法合成了Cr掺杂Mn3O4催化剂,所得样品的特点为比表面积大,颗粒尺寸小,缺陷多。从XRD结果表明,Mn3O4峰的移动暗示Cr是以离子形式存在于Mn3O4晶格中。通过SEM显示Mn3O4和Cr-Mn3O4的形态均呈现出纳米球颗粒状,且掺杂后的样品拥有更小的颗粒尺寸。EDX与EDS谱图表明材料含Cr、O、Mn三种元素。Mn3O4比表面积为25.87 m~2·g-1,而Cr掺杂的Mn3O4的比表面积为81.49 m~2·g-1,Cr掺杂的Mn3O4的比表面积是Mn3O4的3.15倍。利用电化学工作站测试了两种样品的光电流与电化学阻抗,Cr-Mn3O4和Mn3O4的光电流分别为35.77、26.46μA/cm~2,Cr-Mn3O4样品的光电流是纯Mn3O4的约1.35倍,光电流结果表明掺杂Cr能够提高光生电子空穴的分离。Cr-Mn3O4样品的阻抗谱圆弧半径比纯Mn3O4的阻抗谱圆弧半径小,阻抗变低,阻抗谱图表明掺杂Cr后有利于载流子的传输,进而提高光催化活性。光催化降解异丙醇的结果表明Cr-Mn3O4样品在40分钟时的异丙醇的降解率高于Mn3O4,Mn3O4样品的丙酮生成速率为805 ppm·min-1,Cr-Mn3O4样品的丙酮生成速率为1346 ppm·min-1,且Cr-Mn3O4的丙酮的生成速率也高于Mn3O4,上述结果表明掺杂Cr能有效地提升光生电子空穴的分离。在IPA(异丙醇)的光催化降解过程中,掺杂Cr的Mn3O4比未掺杂Cr的Mn3O4表现出更优异的光催化活性,这也与掺杂Cr后的特殊理化性质有关。在光催化固氮的过程中,在辐照时间为30、60、90 min时,Mn3O4的NH4+的浓度分别为7.07、42.98、51.14μmol/L,而Cr-Mn3O4的NH4+的浓度分别为18.77、100.10、106.90μmol/L。在辐照时间为30、60、90 min时,Cr-Mn3O4样品的NH4+的浓度分别是Mn3O4样品的NH4+的浓度的2.65、2.33和2.09倍。从实验结果说明Cr的掺杂增强了光吸收的效果,固氮效果有显著提高,提高了光催化性能。光催化固氮效果的提升主要有以下两个因素:(1)Cr-Mn3O4拥有大的比表面积,较大的比表面积能够提供更多的活性位点,加速光催化反应的进行;(2)掺杂Cr后的Mn3O4产生了更多的氧缺陷,氧缺陷的存在能够有效提升电子空穴分离速率,促进样品对N2分子的吸附。
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